核電廠主管道支管與閥門接管焊縫失效原因分析

李遵柱 張?bào)諅?/p>

中核工程咨詢有限公司 北京 10007 1

美國(guó)和法國(guó)在核電站主回路部件的建造和更換中采用了窄間隙自動(dòng)焊接技術(shù)，該技術(shù)的高質(zhì)量是基于其對(duì)邊緣尺寸的高精度和Haggis的要求。國(guó)內(nèi)核電站自動(dòng)焊組的間隙要求從1- 4mm增加到不超過1mm，偏移量不超過1.5mm。這一要求對(duì)于長(zhǎng)約7米、壁厚為90毫米的主管道的現(xiàn)場(chǎng)安裝來說幾乎是苛刻的。在我國(guó)核電建設(shè)的實(shí)踐中，由于壓力容器安裝位置的偏差，導(dǎo)致主管道組超差，進(jìn)而磨溝。此外，理論研究表明，即使在較高的制造精度水平下，B組的成功概率也不是100%。

1 測(cè)試過程和結(jié)果

因?yàn)楣苤械慕橘|(zhì)是放射性水，水、蒸汽和氣體含有硼，介質(zhì)溫度為350°C，是15.5MPA的壓力，樣例激活，放射性的因此，分析熱室進(jìn)行檢測(cè)[1]。

1.1 宏觀觀察

從宏觀上看，失效焊縫為管座縮口與主管閥門接頭縮口之間的對(duì)接焊縫。閥嘴外徑24mm，內(nèi)徑12mm，端部18mm，3mm，以便當(dāng)場(chǎng)與主管支管口連接。支管座尺寸分別為40mm和14mm，端部尺寸分別為18mm和3mm。支管安裝在主管底座上，頸部的焊縫是支管最薄弱的部分。裂紋長(zhǎng)度為23.6mm，約為圓周的39.5%，裂紋從中間向兩端延伸。

1.2 裂紋形貌觀察及成分分析

從管道座頸和閥門頸處取出泄漏樣品時(shí)，表面劑量率約為60SV / h。為了便于對(duì)外觀和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步分析，環(huán)形試樣沿圓周分為4個(gè)部分，其中1個(gè)沒有裂紋，2個(gè)有裂紋尖端，1個(gè)為貫通裂紋。將裂紋一側(cè)的尖端切斷，觀察其表面形貌。利用掃描電鏡對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行局部擴(kuò)展，確定了裂紋的性質(zhì)、擴(kuò)展方向和裂紋萌生位置。由于根閥前噴嘴內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，說明裂紋從內(nèi)壁延伸至外壁。典型的疲勞帶為高周疲勞裂紋。為了找到裂紋源，在裂紋形貌上對(duì)靠近管壁的部分進(jìn)行了放大處理。裂紋從內(nèi)表面延伸到外表面。由于焊縫根部應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、化學(xué)成分復(fù)雜，裂紋萌生位置不單一[2]。利用掃描電鏡對(duì)裂紋試樣進(jìn)行了觀察，并通過元素分析對(duì)黑色和白色區(qū)域的化學(xué)成分進(jìn)行了分析。黑點(diǎn)是表面c的沉積，白點(diǎn)是氧化鐵的腐蝕產(chǎn)物。氧化鐵的腐蝕產(chǎn)物是由管道內(nèi)的水或蒸汽腐蝕物質(zhì)在裂紋擴(kuò)展過程中引起的。

1.3 金相結(jié)構(gòu)和粒度分析

對(duì)焊接接頭的縫隙區(qū)和中心管和焊縫的金相照片顯示，中心管的基材是一個(gè)典型的316不銹鋼焊接是細(xì)粒奧氏體+鐵素體奧氏體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)選取一段180mm的線段，放大500倍。測(cè)量網(wǎng)格的分界點(diǎn)最多為20，最少為18。公式（1）計(jì)算的G分別為8.304和8。金相照片和晶粒尺寸計(jì)算結(jié)果無異常[3]。

1.4 顯微硬度測(cè)量

對(duì)焊接接頭無裂紋區(qū)焊縫、噴嘴和管架的顯微硬度進(jìn)行測(cè)量。根閥接頭和母材的平均硬度為300HV，焊縫的平均硬度為246HV。接頭各部位硬度平衡，無異常硬度。

2 分析討論

2.1 受力分析

采用abaqus軟件進(jìn)行構(gòu)件應(yīng)力分析。管子內(nèi)徑12mm，外徑18mm。由于異徑管的右端與立管相連，所以使用abaqus的Tie命令將異徑管的右端與剛性異徑管相連。在變徑管左側(cè)增加閥重17kg，模擬實(shí)際工況，增加應(yīng)力15.5MPA，模擬管內(nèi)水壓。網(wǎng)格劃分采用20結(jié)點(diǎn)六面體簡(jiǎn)化單元。模擬結(jié)果表明，斷裂帶的上邊緣存在軸向拉應(yīng)力，下邊緣存在軸向壓應(yīng)力。結(jié)合管道內(nèi)部壓力的影響，管道內(nèi)部的拉應(yīng)力大于管道外部的拉應(yīng)力。由于根閥前焊縫的硬度低于母材，所以焊縫是結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分[4]。

2.2 裂紋萌生與擴(kuò)展

根據(jù)裂紋形貌分析，裂紋萌生是疲勞引起的。結(jié)合力的分析，閥門的振動(dòng)是由于流體通過閥門時(shí)流動(dòng)狀態(tài)的變化所產(chǎn)生的脈沖，使閥門承受一定頻率的拉拔應(yīng)力。由于內(nèi)部壓力較大，根部閥前噴嘴內(nèi)壁應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊縫根部出現(xiàn)疲勞裂紋。由于流體的相互作用，裂紋逐漸演化為腐蝕疲勞裂紋。裂縫截面如圖8所示。可以看出，裂紋呈折線狀，裂紋之間存在交叉、連接和分叉[5-6]。

3 結(jié)語

（1）閥門的振動(dòng)是由管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的脈沖引起的，使得管道薄弱部位的焊縫產(chǎn)生一定頻率的張拉應(yīng)力。同時(shí)，內(nèi)部介質(zhì)的內(nèi)部壓力使管道內(nèi)壁的應(yīng)力大于外壁的應(yīng)力。

（2）根閥前噴嘴的裂紋來源為管道疲勞，在內(nèi)部流體作用下，管道疲勞演變?yōu)楦g疲勞裂紋。只要產(chǎn)生疲勞裂紋源，焊縫的腐蝕疲勞裂紋就不可避免。通過改變管道結(jié)構(gòu)、降低管道振動(dòng)、對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚淼却胧﹣矸乐沽鸭y的產(chǎn)生。